“UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO”

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y

MATEMÁTICAS

INFORME DE PRÁCTICAS PRE-

PROFESIONALES

CALIBRACIÓN Y EVALUACIÓN DE UN

PROTOTIPO DE SOLARÍMETRO EN LA

ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA PRINCIPAL

U.N.P.R.G.

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LUIS DAVID SILVA ALCÁNTARA

ASESOR:

FRANCISCO GARCIA ROQUE

LAMBAYEQUE - PERÚ

AÑO - 2011

CALIBRACIÓN Y EVALUCIACIÓN DE UN PROTOTIPO DE

SOLARÍMETRO EN LA ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA

PRINCIPAL U.N.P.R.G.

Silva Alcántara, Luis David.

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad Nacional Pedro

Ruiz Gallo (UNPRG).

RESUMEN:

El presente informe trata sobre la metodología empleada para la

calibración y evaluación de cuatro solarímetros fabricados de manera

artesanal, cuyo elemento sensible es esencialmente una pila termoeléctrica.

El objetivo principal fue realizar una comparación entre las medidas

proporcionadas por los solarímetros fabricados y el solarímetro de referencia

empleado, para determinar los coeficientes de calibración correspondientes.

La metodología consistió en realizar lecturas simultáneas del

piranómetro CMP3 utilizado como patrón y los solarímetros fabricados.

Luego se procedió a calibrar y evaluar a cada uno de ellos.

Las mediciones se realizaron entre os días 24 de mayo y 12 de junio

del 2011 en la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN:

El estudio de la radiación solar a partir de los datos proporcionados por un

solarímetro recién fabricado necesita, como requisito imprescindible, una

adecuada calibración de dicho instrumento. El proceso de calibración

consiste en la obtención de unos factores que permiten transformar el voltaje

de salida registrado por el solarímetro en unidades radiométricas (w/m2). La

calibración de un solarímetro debe realizarse periódicamente con el objetivo

de corregir los cambios en la respuesta del instrumento debido a su

envejecimiento.

Existe una gran diversidad de métodos para obtener los factores de

calibración de un solarímetro, lo que puede dar lugar a importantes

diferencias en los factores de calibración calculados. Para evitar esta fuente

de discrepancia y poder comparar las medidas proporcionadas por distintos

instrumentos, la Organización Meteorológica Mundial (OMM) ha promovido

la estandarización de los métodos de calibración de los solarímetros.

Una de las técnicas habituales de calibrado consiste en la intercomparación

de los solarímetros con un equipo de referencia, utilizando como fuente

radiativa el sol. Este fue el método utilizado para calibrar los cuatro

solarímetros fabricados. El equipo de referencia empleado fue un

piranómetro de segunda clase, modelo CMP3 fabricado por la empresa Kipp

& Zonen, disponible en la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.

MARCO TEÓRICO

I. MARCO TEÓRICO:

La radiación solar se puede medir con diversos tipos de sensores. Los más

difundidos son aquellos basados en la diferencia de potencial que se crea

entre dos puntos, bien sea porque uno de ellos está expuesto a la radiación

solar y el otro no, bien porque uno está pintado de blanco y refleja la luz

solar y el otro de negro y la absorbe, o bien porque sean materiales de

distinta naturaleza. Esta diferencia de potencial está relacionada linealmente

con la intensidad de radiación solar que recibe la superficie del sensor.

Debido a que cada material y que la configuración de cada sensor produce

una diferencia de potencial distinta, es preciso determinar los factores de

linealidad, para poder emplearlos en la determinación de la radiación solar a

partir de una medida del voltaje suministrado por el sensor. Este proceso

recibe el nombre de calibración del sensor.

1.1. CALIBRACIÓN DE UN PIRANÓMETRO POR COMPARACIÓN:

Este método consistente en registrar medidas simultáneas de dos

piranómetros (uno de ellos tomado como referencia) montados

horizontalmente, uno junto al otro, al aire libre durante un periodo de tiempo

suficientemente prolongado para llegar a resultados representativos. Si los

instrumentos son similares, basta un solo día. Cuando más acusada sea la

diferencia entre los dos tipos, más dilatado debe ser el periodo de

comparación. No obstante, puede reemplazarse un periodo extenso por

diversos periodos cortos que cubran condiciones típicas (despejado,

cubierto, lluvia, etc.). La obtención del factor de calibración se obtiene

empleando el método estadístico de regresión lineal.

MATERIALES

Y

MÉTODOS

II. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. MATERIALES:

Los materiales que se usaron fueron:

• Piranómetro de segunda clase, modelo CMP3.

• Multímetro digital marca Konstar, modelo UT33A.

• Nivel marca Stanley.

• Banco y plataforma de soporte para los solarímetros.

• Cuatro solarímetros con detector pintado de blanco y negro.

2.1.1. PIRANÓMETRO DE SEGUNDA CLASE, MODELO CMP3:

El CMP3 es un piranómetro robusto, fabricado por la empresa Kipp & Zonen.

Mide la radiación solar con una termopila ennegrecida de alta calidad,

protegida por una cúpula. La termopila proporciona una respuesta espectral

plana en todo el rango de espectro solar. Esto permite al CMP3, usarse bajo

cubierta vegetal o lámparas, con cielo nublado y para medidas de radiación

reflejada. Características principales: tiempo de respuesta: menor a 18s;

máxima absorción de radiación: 2000 w/m2; rango espectral: 310 a 2800 nm;

rango de temperatura de funcionamiento: -40 a 80 0C. El piranómetro

utilizado tiene un factor de calibrado de

Figura1. Piranómetro CMP3.

2.1.2. SOLARÍMETRO CON DETECTOR PINTADO DE BLANCO Y

NEGRO:

Se diseñaron y construyeron 4 de este tipo. Su elemento sensible es

esencialmente una pila termoeléctrica constituida por pares termoeléctricos

de cobre-constantan conectados en serie sobre un disco de baquelita de 5

cm de diámetro. La superficie del receptor, que presenta una serie de

círculos concéntricos, se pintó de manera alternativa de color blanco y

negro, de tal manera que las uniones calientes de los termopares están en

contacto con las superficies negras, altamente absorbentes, y las uniones

frías en contacto con las superficies blancas de gran reflectividad. La

diferencia de potencial medida a la salida de los solarímetros está

relacionada con el nivel de radiación solar instantánea.

Figura2. Solarímetro blanco y negro, de fabricación casera.

2.2. PROCEDIMIENTO:

2.2.1. DISPOSICIÓN DE LOS MATERIALES:

Los solarímetros fabricados se colocaron sobre la plataforma de soporte

formando un arreglo cuadrangular en cuyo centro se colocó el piranómetro

patrón. La plataforma se aseguró al banco mediante tornillos y se colocó en

campo abierto, asegurándose en cada momento que los solarímetros se

encuentren a un mismo nivel.

Figura3. Disposición de los solarímetros para la toma de datos.

2.2.2. REGISTRO DE MEDIDAS:

Se registraron medidas simultáneas de los cuatro solarímetros y del

piranómetro de referencia con un intervalo de tiempo de 10 minutos. Las

mediciones fueron realizadas en días con cielo despejado, en las

instalaciones de la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.

Figura4. Estación climatológica principal UNPRG

2.2.3. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE CALIBRACIÓN:

Para determinar el valor de la constante de calibración de los solarímetros,

se encontró la pendiente de la recta que mejor se ajusta al voltaje de salida

de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro

patrón (CMP3). También se calculó el coeficiente de correlación lineal y la

desviación estándar residual. Para ello se utilizó las herramientas

disponibles en el programa Microsoft Excel.

2.2.4. EVALUACIÓN DE LOS SOLARÍMETROS:

Se determino el nivel de radiación medido por cada solarímetro en un

determinado instante y se comparó con los valores obtenidos mediante el

piranómetro de referencia CMP3. Los datos se registraron el día 12 de junio,

desde el mediodía hasta las 5pm.

RESULTADOS

Y

DISCUSION

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

El valor más probable para la constante de calibración de cada solarímetro

viene dada por la pendiente de recta mejor ajustada entre el voltaje de salida

de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro

patrón CMP3.

Fig.1. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro1

En la figura1 se observa el valor más probable para la constante del

solarímetro1. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresión lineal de 0.9658. La desviación estándar calculada

para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000

w/m2

Fig.2. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro2

En la figura2 se observa el valor más probable para la constante del

solarímetro2. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresión lineal de 0.9746. La desviación estándar calculada

para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000

w/m2

Fig.3. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro3

En la figura3 se observa el valor más probable para la constante del

solarímetro2. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresión lineal de 0.971. La desviación estándar calculada

para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000

w/m2

Fig.4. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro4

En la figura4 se observa el valor más probable para la constante del

solarímetro4. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresión lineal de 0.9696. La desviación estándar calculada

para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000

w/m2

Los resultados anteriores se pueden resumir en el siguiente cuadro:

CUADRO1

VALORES ESTADÍSTICOS OBTENIDOS PARA CADA SOLARÍMETRO

Constante de Desviación

calibración

)

Coeficiente de

regresión lineal

(R2)

estándar

residual

(mV/w.m-2)

Solarímetro 13.7 0.9658 0.17

Solarímetro 23.9 0.9746 0.15

Solarímetro 33.9 0.971 0.17

Solarímetro 43.6 0.9696 0.16

En el cuadro1 se puede observar los valores de la constante de calibración,

coeficiente de correlación lineal y desviación estándar residual, con sus

respectivas unidades, obtenidos para cada uno de los solarímetros

fabricados.

En las siguientes figuras se presenta una parte de la curva típica del

comportamiento de la radiación solar, que generalmente presenta un perfil

de campana. La medición tuvo lugar el 12 de junio, con nubosidad variable,

alcanzando un valor pico de 880.95 w/m2 (este fue el valor pico registrado

con el piranómetro de referencia CMP3).

Figura5. Medida de la radiación solar realizada con el solarimetro1 y el

piranómetro CMP3 el día 12 de junio

En la figura5, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el

solarimetro1 y el CMP3 de referencia. En general la curva representada

debe ser una línea suave; sin embargo se pueden observar picos

pronunciados, sobre todo, en la grafica obtenida con los datos del

solarimetro1. Esto se puede explicar en su mayor parte, al hecho de que

hubo determinados instantes de nubosidad, lo que afectó a las condiciones

de medida.

Figura6. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada

con el solarimetro2 y el piranómetro CMP3.

En la figura6, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el

solarimetro2 y el CMP3 de referencia.

Figura7. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada

con el solarimetro3 y el piranómetro CMP3.

En la figura7, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el

solarimetro2 y el CMP3 de referencia. Se puede observar descenso del nivel

de radiación solar a las 2:30pm, registrado con mayor intensidad con el

solariemtro3. Esto descenso en el nivel de radiación se debió a las

condiciones de nubosidad muy variable que presentó el día 12 de junio, lo

que de hecho afectó a que las condiciones de medida sean iguales para

todos los solarímetros.

Figura8. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada

con el solarimetro4 y el piranómetro CMP3.

En la figura8, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el

solarimetro2 y el CMP3 de referencia.

CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONES:

• La adecuada calibración de los solarímetros cobra una importancia

capital cuando se quiere realizar un estudio sobre radiación solar a

partir de los datos que nos proporcionan, ya que garantiza la

confiabilidad y trazabilidad de las medidas realizadas.

• En promedio, los solarímetros fabricados tienen un coeficiente de

correlación 0.97. Esto nos indica que existe una excelente linealidad

entre los datos proporcionados con los solarímetros y los

proporcionados con el piranómetro de referencia empleado.

• Los solarímetros fabricados satisfacen suficientemente la expectativa

propuesta y pueden proporcionar datos necesarios para grupos de

investigadores en lo que respecta a estudios sobre radiación solar, de

gran importancia en la actualidad.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

• Torres R, (1982), Construcción de un solarímetro blanco y negro.

Revista peruana de Física. Vol I, Nº3, Pag. 379-389.

• Comisión Nacional del Agua.(2010). Manual teórico práctico del

observador meteorológico de superficie. Secretaria del medio

ambiente y recursos naturales. México, Pag 113-131.